Données précises de transfert de chaleur pour le fer pur : la clé de la simulation des processus industriels

Introduction

En raison de ses excellentes propriétés magnétiques et thermophysiques, le fer pur est fréquemment utilisé dans les composants électromagnétiques où un transfert de chaleur efficace est essentiel. Les exemples incluent les noyaux de transformateurs, les moteurs électriques, les bobines d'induction et les composants de l'électronique de puissance, qui sont soumis à des contraintes magnétiques et thermiques. Une compréhension précise des propriétés thermiques sur une large gamme de températures est donc essentielle pour concevoir des composants fiables et simuler avec précision leur comportement opérationnel dans des conditions réelles.

La connaissance de la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique est cruciale, car elle détermine de manière significative l'efficacité avec laquelle la chaleur est transportée à l'intérieur d'un matériau. Dans les applications impliquant du fer pur, en particulier dans les composants électromagnétiques, elle influence directement la distribution de la température, la dissipation de la chaleur et donc la sécurité opérationnelle et la durée de vie des composants. Une dissipation thermique insuffisante peut entraîner une surchauffe locale, une réduction de l'efficacité, voire une défaillance. Par conséquent, une compréhension précise de la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique est essentielle pour la conception, l'optimisation et la simulation thermiques des systèmes industriels.

Méthode et conditions de mesure

L'analyse par flash laser (LFA, voir figure 1) est principalement utilisée pour déterminer la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique (α) d'un matériau. Combinée à la densité (ρ) et à la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique (_{Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.cp}), la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique (λ) peut être calculée (λ = α - _{Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.cp} - ρ).

Pendant la mesure, le fond de l'échantillon est chauffé par une courte impulsion laser. L'augmentation de température qui en résulte sur la face opposée est détectée à l'aide d'un détecteur infrarouge. La Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique du matériau peut ensuite être déterminée sur la base de ce profil de température dans le temps et des modèles mathématiques correspondants.

À l'aide d'un porte-échantillon en saphir spécial pour les métaux fondus (voir figure 2), la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique d'un échantillon de fer pur a été mesurée en continu avec le LFA 707 StratoFlash^®Classic lors du passage de l'état solide à l'état liquide.

La Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique (_{Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.cp}) a été déterminée dans la plage de température allant de la température ambiante à 1600°C en utilisant le DSC 500 Pegasus^®, équipé d'un four au rhodium. Les conditions de mesure sont détaillées dans le tableau 1.

Tableau 1 : Conditions de mesure de l'ACL

Résultats et discussion

La figure 3 illustre le comportement typique du fer pur, y compris la transition de Curie (≈770°C). La Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique (courbe rouge) et la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique (courbe noire) présentent toutes deux des changements distincts à ce stade, avec un minimum et un maximum locaux, respectivement. Ainsi, la transition de Curie est clairement visible dans la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique et la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique, alors que la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique (courbe bleue) n'a aucun effet dans cette région. Dans la plage de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion supérieure à 1525°C, la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique et la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique diminuent considérablement car la structure du réseau se décompose et le transport de la chaleur par les phonons n'a plus lieu.

Résumé

Du solide au liquide : Le LFA 707 StratoFlash^®Classic , équipé d'un porte-échantillon spécial en saphir, permet de caractériser les métaux en continu jusqu'à la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion. Les données obtenues fournissent des indications précieuses sur le comportement de la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique en fonction de la température, constituant ainsi une base fiable pour la simulation, la sélection des matériaux et l'optimisation des composants, même dans des conditions de fonctionnement extrêmes.